Max Planck Institut für Biophysik: Jahrbucheinträge

2019

  • Elektronen-Cryomikroskopie von Membranproteinkomplexen

    2019 Kühlbrandt, Werner

    Elektronen-Cryomikroskopie (CryoEM) ist die Methode der Wahl zur Bestimmung der Struktur von Membranproteinkomplexen, die für die Röntgenkristallographie zu instabil oder zu dynamisch sind. Intakte ATP-Synthasen beispielsweise konnten bislang einer Kristallisation widerstehen, dank CryoEM sind aber nun zentrale Aspekte ihrer Mechanismen deutlich geworden. Die beiden am besten aufgelösten und damit informativsten Strukturen, und zwar die der Chloroplasten ATP-Synthase und eines Dimers der mitochondrialen ATP-Synthase, kommen aus unserer Abteilung.

2018

  • Strukturelle Anforderungen an eine Flavin-basierte Elektronenbifurkation am Beispiel zweier Acyl-CoA Dehydrogenase/Elektronentransfer-Flavoprotein-Komplexe

    2018 Kayastha, Kanwal; Demmer, Julius K.; Müller, Volker; Buckel, Wolfgang; Ermler, Ulrich
    Flavin-basierte Elektronen-bifurkierende (FBEB)-Enzymkomplexe spielen eine vitale Rolle in obligat anaeroben Mikroorganismen zur Effizienzsteigerung ihres Energiestoffwechsels. Sie treiben eine endergone durch eine exergone Reduktion mit dem gleichen Reduktionsmittel an. Die Energiekopplung erfolgt durch ein reduziertes Flavin, das durch Energieaufspaltung ein stark und ein schwach reduzierendes Elektron auf zwei verschiedene Substrate überträgt. Wie FBEB-Enzymkomplexe strukturell konstruiert sind, soll am Beispiel zweier Acyl-CoA-Dehydrogenase/Elektrontransfer-Flavoproteine dargelegt werden.

2017

  • Molekulare Mechanismen für die Formung und Qualitätskontrolle von Lipidmembranen

    2017 Hummer, Gerhard
    Zellen werden von Lipidmembranen umhüllt und strukturiert. Dabei stellen sich zwei wesentliche Fragen: Wie erhalten Membranen ihre oft ungewöhnliche Form und wie erfolgt deren Qualitätskontrolle? Dank molekularer und coarse-grained Simulationen konnten wir zeigen, wie die Proteine Mga2 and Ire1 den Zustand des endoplasmatischen Retikulums bestimmen. Auch hinsichtlich der Fusion von Vesikeln, der Bildung von Röhrchenstrukturen im endoplasmatischen Retikulum und der Induktion von Autophagosomen durch einen als Atg1 bezeichneten Komplex gewannen wir mittels Simulationen neue Einsichten.

2016

  • Struktur der dimeren ATP-Synthase aus der inneren Mitochondrienmembran einer Hefe

    2016 Hahn, Alexander; Parey, Kristian; Bublitz, Maike; Mills, Deryck J.; Zickermann, Volker; Vonck, Janet; Kühlbrandt, Werner; Meier, Thomas
    Die vollständige Struktur der dimeren F1Fo-ATP-Synthase aus Mitochondrien der Hefe Yarrowia lipolytica wurde mittels einer Kombination von cryo-Elektronenmikroskopie (cryo-EM) und Röntgenkristallographie aufgeklärt. Die Struktur zeigt 58 der 60 Untereinheiten im dimeren Komplex. Horizontale Helices der Untereinheit a im Fo- Subkomplex legen sich um den c-Ring-Rotor. Insgesamt sechs senkrechte Helices durchspannen die Membran. Unsere Strukturuntersuchung erklärt die strukturelle Basis der Cristae-Bildung in Mitochondrien, ein wichtiger morphologischer Aspekt eukaryotischer Zellen.

2015

  • Wie die Natur Luftsauerstoff zu Wasser reduziert und dabei Energie speichert

    2015 Michel, Hartmut; Ermler, Ulrich; Safarian, Schara
    Molekularen Sauerstoff gibt es in der Atmosphäre seit etwa drei Milliarden Jahren. Die Natur entwickelte zwei membranständige Enzymsysteme, welche im Rahmen der Zellatmung die in der Reduktion des Sauerstoffs zu Wasser steckende Energie biologisch nutzbar machen: die Häm-Kupfer-Oxidasen, wie etwa die Cytochrom c-Oxidase, und die bd-Oxidasen. Die Strukturen von Vertretern beider Enzymfamilien wurden bestimmt. Die beiden evolutionär nicht verwandten Familien scheinen ähnliche Mechanismen zu nutzen, um Energie zu speichern und die Entstehung toxischer, reaktiver Sauerstoffspezies zu verhindern.

2014

  • Molekulare Simulationen: Von biomolekularen Strukturen zur Funktion

    2014 Hummer, Gerhard
    Molekulare Simulationen ermöglichen es, die Funktionsweise von Biomolekülen zu untersuchen. Dank ihrer enorm detaillierten Beschreibung, in der die Bewegung jedes einzelnen Atoms aufgelöst wird, gestattet die Simulation Interpretationen komplexer Experimente. Solche Simulationen ermöglichen es zudem, in Bereiche vorzudringen, die dem Experiment weitgehend verschlossen sind, etwa der detaillierten Auflösung von enzymatischen Reaktionsmechanismen. Außerdem können dank molekularer Simulationen durch Beobachtung von Proteinen „bei der Arbeit“ neuartige, fundamentale Prozesse entdeckt werden.

2013

  • Ein wahrlich egoistisches Gen und seine Helfer

    2013 Herrmann, Bernhard G.
    Bei der Zeugung erhalten wir von jedem Elternteil je einen Chromosomensatz und vererben entweder die väterliche oder die mütterliche Kopie (Allel) jedes Gens mit gleicher Wahrscheinlichkeit weiter an unsere Kinder. So zumindest lehrte Mendel. Der Hypothese Richard Dawkins‘ folgend, gibt es aber egoistische Gene, die sich nicht mit zufälliger Auswahl begnügen und die Chance ihrer Vererbung an die nächste Generation erheblich erhöhen. Einen Beleg für diese Annahme liefert ein Gen der Maus, das von männlichen Tieren mit einer Häufigkeit von bis zu 99% vererbt wird.
  • Neue systembiologische Forschung für eine personalisierte Medizin bei Krebs

    2013 Nietfeld, Wilfried; Lehrach, Hans

    Die Lösung medizinischer Herausforderungen hängt besonders von der Vorhersage des Verhaltens komplexer biologischer Netzwerke, beispielsweise aktiver Netzwerke in Tumor- und anderen Geweben unter bestimmten Bedingungen, wie zum Beispiel während einer Krebstherapie, ab. Bisher ist es nicht möglich, den Erfolg einer Therapie vorherzusagen. Forscher sequenzieren daher das Genom einzelner Krebspatienten sowie das Genom und Transkriptom ihres Tumors als Basis für ein Computermodell eines virtuellen Patienten, um Wirkung und Nebenwirkungen von Therapien individuell vorhersagen zu können.

  • Aktuelle Forschung aus der Strukturbiologie

    2013 Werner Kühlbrandt
    Die Abteilung ermittelt den molekularen Aufbau und die Funktion von Membranproteinen und Proteinkomplexen. Verwendet werden elektronenmikroskopische, röntgenkristallographische, biochemische und biophysikalische Methoden. Die Abteilung besteht aus der Arbeitsgruppe des Direktors Werner Kühlbrandt und den Projektgruppen von Janet Vonck und Özkan Yildiz. Hinzu kommen die selbstständigen Forschungsgruppen von Thomas Meier und Daniel Rhinow sowie die Gruppe von Christine Ziegler, die einem Ruf an die Universität Regensburg folgte. Im Folgenden werden aktuelle Ergebnisse der Abteilung vorgestellt.

2012

  • Nutrigenomik: Natürliche Modulation der Genexpression

    2012 Sauer, Sascha
    Der wissenschaftliche Schwerpunkt der Forschungsgruppe liegt auf der systematischen Analyse der Modulation der Gen- und Proteinexpression. Dieser Prozess kann durch die Interaktion von Genen und natürlich vorkommenden Substanzen, wie sie in Nahrungsmitteln vorkommen, gezielt beeinflusst werden. Wir untersuchen, ob und durch welche Mechanismen Naturstoffe mit Genen und Genprodukten wechselwirken. Die Ergebnisse können für den optimierten Einsatz von Naturstoffen zur Verbesserung verschiedenster Stoffwechselprozesse von Nutzen sein.
  • Späte Einsicht: Die Genomforschung wendet sich seltenen Krankheiten zu

    2012 Ropers, Hans-Hilger
    Seit über 15 Jahren konzentriert sich die Genomforschung auf die Suche nach genetischen Risikofaktoren für Volkskrankheiten – mit magerem Erfolg. Jetzt richtet sich die Aufmerksamkeit auf seltene Krankheiten. Wissenschaftler der Abteilung Molekulare Humangenetik befassen sich bereits seit Jahren erfolgreich mit der Untersuchung seltener, genetisch bedingter Krankheiten. Durch neue Methoden zur DNA-Sequenzierung ist es jetzt möglich geworden, die molekularen Ursachen aller Ein-Gen-Krankheiten aufzuklären. Dies hat weitreichende Konsequenzen für die Diagnose, Prävention und Therapie.
  • GcpE und LytB: Enzyme der Isoprenoid-Biosynthese als Angriffsziele für Wirkstoffe gegen Malaria und Tuberkulose

    2012 Rekittke, Ingo; Jomaa, Hassan; Ermler, Ulrich
    Isoprenoide sind in allen Lebewesen an lebenswichtigen Prozessen beteiligt. Ihre Biosynthese verläuft über zwei C5-Grundbausteine, die je nach Organismus über den Mevalonat- oder den Desoxyxylulose (DOXP)-Stoffwechselweg hergestellt werden. Der DOXP-Weg wird von einer Reihe von humanpathogenen Erregern, aber nicht vom Menschen verwendet und stellt somit ein attraktives Angriffsziel für anti-infektiöse Wirkstoffe dar, zum Beispiel gegen Malaria und Tuberkulose.

2011

  • Neurodegenerative Erkrankungen - von der Bäckerhefe zu neurodegenerativen Prozessen

    2011 Krobitsch, Sylvia
    Spätmanifeste neurodegenerative Erkrankungen sind progressive Erkrankungen, die typischerweise im mittleren Lebensabschnitt beginnen und mit zunehmendem Alter in schwerwiegender neuronaler Degeneration resultieren. Obwohl das Vorkommen dieser Erkrankungen weltweit sehr hoch ist, sind die Mechanismen der Pathogenese noch nicht verstanden, und effektive therapeutische Strategien zur Heilung dieser verheerenden Krankheiten stehen bis heute nicht zur Verfügung.
  • Optogenetik: Die molekularen Grundlagen und Anwendungen

    2011 Bamberg, Ernst
    Das neue Gebiet der Optogenetik beschreibt in erster Linie den Einsatz des Licht gesteuerten Ionenkanals, Channelrhodopsin 2 (ChR2), und der durch Licht getriebenen Cl-Pumpe Halorhodopsin (NphR) zur Stimulation und Inaktivierung von Nervenzellen in Kultur und im Gehirn von Tieren. Um das Anwendungsspektrum zu erweitern, haben wir unsere Forschung darauf konzentriert, neue und optimierte optogenetische Werkzeuge zu entwickeln.

2010

  • Gib mir fünf! Oder sechs? Oder sieben?

    2010 Kuss, Pia
    Gib mir fünf, schlag ein, Guten Tag, Auf Wiedersehen - alles mit der Hand. Und dass die Hand fünf Finger hat, weiß jedes Kind. Aber nicht jedes Kind wird mit fünf Fingern geboren. Erblich bedingt, entstehen bisweilen Skelettfehlbildungen der Extremitäten. Eine davon, die Synpolydaktylie, beinhaltet, dass Patienten mit zusätzlichen Fingern geboren werden, wobei diese Finger zudem fusioniert sind. Das Krankheitsbild entsteht aufgrund einer Mutation im Hoxd13-Gen, die einen Retinsäuremangel nach sich zieht und somit zu unkontrollierter Produktion von Knorpelzellen an den falschen Stellen führt.
  • Protein-Netzwerke: Wie Protein-Wechselwirkungen das Aussehen und die Funktion der Zelle bestimmen

    2010 Stelzl, Ulrich
    Die systematische Untersuchung von Protein-Protein-Wechselwirkungen ist ein wichtiger Teil der funktionellen Genomforschung. Eine Methode ist das Hefe-zwei-Hybrid-Verfahren, mit dem Millionen Kombinationen von Proteinpaaren auf mögliche Interaktionen geprüft werden können. Die gefundenen Interaktionen werden in Protein-Netzwerken dargestellt. Diese erlauben ein systembiologisches Verstehen molekularer Zusammenhänge innerhalb der Zelle und sind auch in der Medizin von Bedeutung. Mithilfe solcher Netzwerke können Krankheitsgene identifiziert und Patientendaten besser interpretiert werden.
  • Struktur und Funktion von Membranproteinen

    2010 Kühlbrandt, Werner
    Die Forschung in der Abteilung Strukturbiologie ist darauf fokussiert zu verstehen, wie die Strukturen von Membranproteinen –  möglichst im atomaren Maßstab – auf den Membrantransport und die biologische Energieumwandlung einwirken. Zu den wichtigsten Methoden gehören die Kristallographie (2D und 3D) von Membranproteinen, die Einzelpartikel-Elektronenmikroskopie und die Elektronen-Kryotomographie (cryo-ET) von biologischen Membranen. Bis auf wenige Ausnahmen werden alle Membranproteine für die Kristallographie sowie die Membranen oder Organelle für die Tomographie in der Abteilung hergestellt.

2009

  • Computergestützte Modellierung biologischer Prozesse

    2009 Wierling, Christoph; Herwig, Ralf
    Die Nachbildung biologischer Prozesse im Computer bietet die Möglichkeit, durch gezielte virtuelle Störungen neue Effekte vorherzusagen, die dann im Experiment überprüft werden können. Solche Vorhersagen sind für viele praktische Anwendungen sehr nützlich, z.B. für die Entwicklung neuer Medikamente. In der Arbeitsgruppe Bioinformatik wurden in den letzten Jahren verschiedene Entwicklungen vorgenommen, die eine Modellierung von biologischen Prozessen unterstützen, wie z.B. eine Datenbank zur Integration humaner funktioneller Interaktionen (ConsensusPathDB) und das Modellierungssystem PyBioS.
  • Die Kopplung zellulärer und mutagener Prozesse bei der Evolution von Säugetieren

    2009 Arndt, Peter F.
    Die Fülle der heute zur Verfügung stehenden Genomdaten einer Vielzahl von Lebewesen erlaubt die vergleichende Analyse ihrer DNA-Sequenzen. Solche Untersuchungen ermöglichen, die Evolution und Entwicklung der genomischen DNA-Sequenzen zurückzuverfolgen. Prozesse, die bei der Veränderung der genomischen DNA-Sequenzen von Säugetieren eine wichtige Rolle spielen, sowie deren Wechselspiel mit anderen zellulären Vorgängen, können so besser verstanden werden.
  • Lichtgesteuerte Membrankanäle und Ionenpumpen als Werkzeuge für die Neurowissenschaft

    2009 Bamberg, Ernst
    Die Lichtsteuerung von Nervenzellen mithilfe des Ionenkanals Channelrhodopsin2 (ChR2) und der Cl--Pumpe Halorhodopsin (NphR) erfüllt einen lang gehegten Wunsch von Neurobiologen, denn mithilfe dieser Proteine können Neuronen in Kultur oder im Gehirn lebender Tiere, frei von jeder mechanischen Störung, mit bisher nicht erreichter Ortsauflösung durch Licht an- und abgeschaltet werden. Damit ergeben sich viele Anwendungen in der Grundlagenforschung bis hin zur Biomedizin, und der Grundstein war gelegt für das heute weltweit sich mit hohem Tempo entwickelnde Gebiet der Optogenetik.

2008

  • Interaktionsnetzwerke in Proteinstrukturen

    2008 Lappe, Michael
    Zentrales Thema der Gruppe Bioinformatik / Strukturelle Proteomforschung ist die bioinformatische Analyse und Vorhersage von Proteinstrukturen in Form von Netzwerken. Entwickelt werden Verfahren, aus diesen Netzwerken die 3D-Struktur zu rekonstruieren und die entscheidenden Kontakte in diesen Strukturnetzwerken zu ermitteln. Die interdisziplinären Arbeiten finden Anwendungen im Protein-Design und bei der Entwicklung neuer Wirkstoffe.
  • Regulatorische Netzwerke bei der Bildung des Rumpfes in Säugetieren

    2008 Herrmann, Bernhard G.
    Die Mesodermbildung ist ein Prozess der Embryonalentwicklung, der eine entscheidende Rolle bei der Bildung von Rumpf und Organen in Säugetieren spielt. Er wird von mehreren interagierenden Signalkaskaden kontrolliert, die auch bei der Tumorprogression eine Rolle spielen. Mithilfe neuer Verfahren sollen die aus Tausenden von Genprodukten bestehenden Regelnetzwerke aufdeckt werden, die diesen Prozess im Embryo und in Tumoren kontrollieren.
  • Molekulare Neurogenetik des olfaktorischen Systems der Maus

    2008 Spors, Hartwig; Mombaerts, Peter
    Bei Mäusen wird der Geruchssinn durch mehr als 1200 olfaktorische Rezeptoren (englisch „odorant receptors“, OR) vermittelt, die die größte Genfamilie im Maus-Genom darstellen. Diese Geruchsrezeptoren sind G-Protein-gekoppelte Rezeptoren. Von jeder olfaktorischen Nervenzelle (englisch „olfactory sensory neuron“, OSN) im Riechepithel wird angenommen, dass sie exakt ein Allel eines OR-Gens exprimiert. Axone der olfaktorischen Nervenzellen, die den gleichen Rezeptor exprimieren, vereinigen sich in denselben Strukturen des Bulbus olfactorius, den so genannten Glomeruli. Hier bilden sie Synapsen mit den Neuronen zweiter Ordnung der Riechbahn.

2007

  • Mathematische Modelle demonstrieren die Integration von Information durch zelluläre Signalwege

    2007 Klipp, Edda
    Die molekularbiologische Forschung gibt Einsicht in die Komponenten und Mechanismen der Wahrnehmung und Verarbeitung von Stress durch Zellen. Die mathematische Modellierung unterstützt das Verständnis grundlegender Prinzipien der Signalweiterleitung und Signalverarbeitung sowie von Sensitivität und Robustheit der Informationsübertragung und der damit einhergehenden Anpassung der Zellen. Zwei Beispiele werden für einen Modellorganismus, die Bäckerhefe Saccharomyces cerevisiae, vorgestellt.
  • Protein-Monoaminylierung: Neu erkannte Funktionen monoaminerger Hormone

    2007 Walther, Diego J.
    Nach der Entschlüsselung des humanen Genoms stehen das Transkriptom, Proteom sowie Metabolom immer stärker im Vordergrund molekularbiologischer Forschung, weil deren Zusammenwirken die Ausprägung und Funktionsweise unserer Gene bestimmt. In diesem Zusammenhang haben neue, bahnbrechende Entdeckungen eine Art „Paradigmenwechsel“ der bisher beschriebenen Wirkungsweise von Hormonen eingeleitet und das Verständnis dieser Substanzen in der Zell- und Genregulation, insbesondere im Zusammenhang mit Krankheiten des Menschen, maßgeblich erweitert.
  • Elektrogene und elektroneutrale Katalyse durch dihämhaltige Succinat:Chinon-Oxidoreduktasen

    2007 Lancaster, C. Roy D.
    Die atomaren Strukturen eines bakteriellen Succinat:Chinon-Oxidoreduktase-Enzyms und mechanistisch interessanter Varianten, hergestellt durch gerichtete Mutagenese, wurden durch Röntgenstrukturanalyse bestimmt. Zusammen mit komplementären Funktionsuntersuchungen erlaubten diese den eindeutigen Beweis eines neuartigen Transmembranprotonentransfers, der in diesem Proteinkomplex Transmembranelektronentransfer ermöglicht.
  • Struktur und molekularer Mechanismus des Natrium-Protonen-Antiporters NhaA und des Cytochrom-bc1-Komplexes

    2007 Hunte, Carola
    1. Durch gezielte Mutagenese erzeugte Varianten des mitochondrialen Cytochrom-bc1-Komplexes bilden schädliche Sauerstoffradikale, die mit Alterungsprozessen und neurodegenerativen Krankheiten in Verbindung gebracht werden. 2. Die Regulation des zellulären Ionenhaushalts durch Natrium-Protonen-Antiporter ist essentiell. Die erste atomare Struktur eines solchen Transporters wurde bestimmt und ein Modell für Regulations- und Transportmechanismen entwickelt.

2006

  • Molekulare Mechanismen der Skelettentwicklung

    2006 Mundlos, Stefan
    Die Forschungsgruppe Entwicklung & Krankheit beschäftigt sich mit der Frage, wie angeborene Fehlbildungen entstehen und wie sie genetisch und entwicklungsbiologisch zu erklären sind. Dies geschieht in enger Zusammenarbeit mit der klinisch-genetischen Abteilung des Instituts für Medizinische Genetik und der Kinderklinik der Charité, in der viele dieser Patienten behandelt werden. Ein Fokus unserer Untersuchungen liegt in der Erforschung der normalen und pathologischen Skelettentwicklung und ihrer genetischen Steuerung durch molekulare in vitro und in vivo Verfahren. In den letzten Jahren konnten neue Erkenntnisse über die Ursachen von Fehlbildungen der Extremitäten, insbesondere bei der Entwicklung von Gelenken, gewonnen werden. Umfangreiche genetische Screens haben neue Gene aufgezeigt, deren Funktion bei Krankheit, bei der normalen Entwicklung und während der Regeneration von Knochen und Knorpel untersucht wird.
  • Ribosomen, die Eiweißfabriken der Zelle, lüften ihre Geheimnisse

    2006 Fucini, Paola; Nierhaus, Knud H.
    Ribosomen übersetzen die genetische Information der DNA in die Aminosäuresequenz der Proteine; sie gehören zu den kompliziertesten Zellstrukturen. Hochauflösende Methoden wie Röntgenstrukturanalysen und Kryo-Elektronenmikroskopie sowie verfeinerte Funktionsmethoden haben in den letzten Jahren zu einer Umwälzung unseres Wissens geführt, sodass wir beginnen, die Funktionen der Translationsmaschine „Ribosom“ von der Struktur her abzuleiten.
  • Aufklärung molekularer Mechanismen des Membrantransports mithilfe von Elektronenmikroskopie und Röntgenkristallographie

    2006 Kühlbrandt, Werner; Appel, Matthias; Barton, Bastian; Kalthoff, Christoph; Raunser, Stefan; Schröder, Rasmus; Vinothkumar, Kutti Ragunath; Yildiz, Özkan
    Die Abteilung Strukturbiologie am MPI für Biophysik befasste sich in letzter Zeit besonders mit Membrantransport-Proteinen aus thermophilen Archaeen. Sie sind robuster als die Proteine aus Bakterien- oder Säugerzellen und eignen sich daher besonders für Struktur- und Funktionsuntersuchungen. Andererseits sind sie auf Grund ihrer Sequenzhomologie den eukaryontischen Proteinen ähnlich und dienen daher als gute Modelle für medizinisch relevante Systeme. Für ein Signalprotein, das in Bakterien und Archaeen den Transport von gebundenem Stickstoff durch die Membran regelt, wurde die Struktur in drei verschiedenen Zuständen bestimmt und der Regulationsmechanismus aufgeklärt. Außerdem wurden pH- und Ionen-induzierte Konformationsänderungen von zwei verschiedenen Natrium-Protonen-Austauschproteinen sowie des Außenmembran-Porins OmpG aus E. coli untersucht.

2005

  • Untersuchung von Bindungsstellen zur Aktivierung von Genen

    2005 Vingron, Martin
    Transkriptionsfaktoren spielen eine zentrale Rolle bei der Regulation von Genen. Die Abteilung Bioinformatik am MPI für molekulare Genetik nutzt verschiedene mathematische Methoden, um die Funktion und das Zusammenspiel von Transkriptionsfaktoren zu untersuchen und so weiterführende Erkenntnisse über die Regulation von Genen zu erhalten.
  • Von der genetischen Information zur Behandlung von Krankheiten

    2005 Lehrach, Hans
    Der Sequenzierung des Humangenoms verdanken wir genaue und weit reichende Informationen über die Komplexität biologischer Prozesse. Der Vergleich von Human- und Schimpansengenom führt zu einem besseren Verständnis molekularer Abläufe im Organismus, wodurch Beiträge zu einer Optimierung der Diagnostik und Therapie von Krankheiten geleistet werden können.
  • Channelrhodopsin-1 und -2: Funktion und Anwendung einer neuen Klasse von Ionenkanälen

    2005 Nagel, Georg; Bamberg, Ernst
    Phototaktische Reaktionen der einzelligen Grünalge Chlamydomonas reinhardtii werden durch mikrobielle Rhodopsine als Photorezeptoren initiiert , deren Chromophor Retinal ist. Sequenzvergleiche mit anderen mikrobiellen Rhodopsinen aus Archebakterien – wie den lichtgetriebenen Ionenpumpen Bakteriorhodopsin und Halorhodopsin – zeigen eine Homologie von 15 bis 20 % mit zwei der Algenrhodopsine. Die hydrophobe N-terminale Hälfte mit circa 300 von 712 bzw. 737 Aminosäuren besteht jedoch aus einem hypothetischen Siebentransmembranhelixmotiv, wie dies für Rhodopsinmoleküle typisch ist. Ebenso wichtig ist es, dass einige Aminosäuren konserviert sind, die die Retinalbindungstasche und den Protonentransportweg des Bakteriorhodopsins darstellen. Kürzlich konnten wir zeigen, dass zwei dieser retinalbindenden Proteine aus dem Augenfleck der Alge nach Expression in Oozyten des südafrikanischen Krallenfrosches Xenopus laevis oder in HEK 293-Zellen lichtaktivierte Ionenkanaleigenschaften aufweisen. Die beiden Proteine wurden deshalb von uns Channelrhodopsin-1 und Channelrhodopsin-2 (ChR1 und ChR2) genannt. ChR1 ist ein selektiver Protonenkanal, während ChR2 neben Protonen eine Reihe ein- bzw. zweiwertiger Kationen leitet. Für beide Rhodopsine reicht die N-terminale Hälfte für die lichtgesteuerte Ionenkanalaktivität aus, womit wir demonstrieren konnten, dass das Siebentransmembranhelixmotiv eine neue Klasse von Ionenkanälen darstellt.

2004

  • Molekulare Ursachen genetisch bedingter kognitiver Störungen

    2004 Ropers, Hans-Hilger
    Die geistige Behinderung ist das größte ungelöste Problem der medizinischen Genetik, und auf die medizinische Versorgung und Betreuung von geistig Behinderten entfällt ein erheblicher Teil der Gesamtaufwendungen für die Krankenversorgung. Den meisten schweren Formen der geistigen Behinderung liegen Chromosomenveränderungen oder Gendefekte zugrunde, jedoch ist erst ein geringer Prozentsatz dieser Defekte bekannt. Zur Kartierung und Identifikation der beteiligten genetischen Faktoren verfolgen wir vier verschiedene komplementäre Strategien: 1. die Untersuchung von Patienten mit balancierten Chromosomenaberrationen, 2. die Entwicklung und Anwendung von Methoden zur hochauflösenden Erkennung unbalancierter Veränderungen in der DNS, 3. die systematische Suche nach Mutationen in Familien mit X-chromosomal vererbter geistiger Behinderung und 4. die Kartierung autosomal rezessiver Gendefekte durch Identifizierung homozygoter Genomabschnitte bei Kindern blutsverwandter Eltern. In den vergangenen Jahren konnten wir bereits zahlreiche molekulare Ursachen für kognitive Störungen identifizieren. Von der Charakterisierung dieser Gene versprechen wir uns wesentliche Fortschritte für die Diagnose und Prävention der geistigen Behinderung sowie neue Einblicke in die normale und gestörte Hirnentwicklung und -funktion.
  • Regulatorische Netzwerke bei der Embryonalentwicklung der Säuger

    2004 Herrmann, Bernhard G.
    Die Entwicklung der Körperanlage mit ihren Organen wird durch eine Vielzahl komplexer Regelmechanismen gesteuert, die einem streng kontrollierten Ablauf folgen. Am Anfang dieser Ereigneisse steht die Mesenchymbildung, ein Vorgang, der Ähnlichkeiten zur Metastasierung von Tumoren aufweist. Mithilfe neuer Verfahren sollen regulatorische Netzwerke aufgedeckt werden, die Mesenchymbildung und Gewebedifferenzierung kontrollieren.
  • Der Ein-Kohlenstoff-Überträger Tetrahydromethanopterin in Enzymen

    2004 Ermler, Ulrich; Acharya, Pryamvada
    Der Ein-Kohlenstoff (C1)-Überträger Tetrahydromethanopterin (H4MPT), der als Cofaktor nicht-kovalent an bestimmte Proteine bindet, gewann in den letzten Jahren stark an Bedeutung, da er in immer mehr phylogenetisch deutlich verschiedenen Mikroorganismen entdeckt wurde und dort eine herausgehobene Rolle im C1-Stoffwechsel spielt. Seine Struktur ähnelt interessanterweise derjenigen des Tetrahydrofolats (H4F), dem am vielseitigsten verwendeten C1-Überträger in der Biochemie, wobei sich H4MPT und H4F höchstwahrscheinlich unabhängig voneinander im Rahmen einer konvergenten Evolution entwickelt haben. Die Art, wie H4MPT an Enzyme bindet – erst seit kurzem für zwei Systeme auf molekularer Ebene bekannt – soll hier vorgestellt werden.

2003

  • Struktur und molekulare Mechanismen von Membran-Transport-Proteinen

    2003 Collinson, Ian; Kühlbrandt, Werner; Model, Kirstin; Parcej, David; Standfuss, Jörg; Terwisscha van Scheltinga, Anke; Ziegler, Christine
    Die Abteilung Strukturbiologie am Max-Planck-Institut für Biophysik befasst sich mit der Struktur und den molekularen Mechanismen von Transportproteinen in der Zellmembran. Die Membranproteine werden isoliert oder in geeigneten Systemen exprimiert und ihre Strukturen werden mit den Methoden der Elektronenmikroskopie oder Röntgenkristallographie bestimmt. Die 2.5 Å-Röntgenstruktur des Lichtsammlerkomplexes LHC-II zeigt zwei verschiedene Schutzmechanismen, durch die eine Beschädigung des Photosynthese-Apparates der Pflanzen bei zu hoher Lichteinwirkung verhindert wird. Die dreidimensionale Dichtekarte eines neuronalen Ionenkanals, die mithilfe der elektronenmikroskopischen Einzelpartikel-Analyse bestimmt wurde, legt die Position der α- und β-Untereinheit im funktionalen Komplex fest. Die 8 Å-Dichtekarte des bakteriellen SecYEG-Proteintransportkomplexes in der Membran gibt Hinweise auf die ersten Schritte der Protein-Translokation. Elektronenmikroskopische Studien der Protein-Translokase-Komplexe der äußeren und inneren Mitochondrienmembran zeigen eine Doppelpore. Zweidimensionale Kristalle verschiedener Sekundärtransporter ergeben unterschiedliche Anordnungen der Transmembran-Helices, was auf unterschiedliche Transportmechanismen hinweist.
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